Rで有限要素法:片持ち梁-中間区間の等分布荷重:たわみ量

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Rで有限要素法:連立方程式
const typesetMath = (el) => { if (window.MathJax) { // MathJax Typeset window.MathJax.typeset(); } else if (window.katex...

片持ち梁-中間区間の等分布荷重

Figure 1: 片持ち梁-中間区間の等分布荷重

片持ち梁のたわみ:FEM(オイラー・ベルヌーイ梁要素) vs 厳密解

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# 片持ち梁のたわみ(中間区間の等分布荷重):FEM vs 厳密解
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#
# 厳密解(xは自由端Aから測った距離。区間ごとに式が異なる):
#   w1 = (pb/24EI){4(b^2+3bc+3c^2)(l-x) - (b^3+4b^2c+6bc^2+4c^3)}   [0<=x<=a]
#   w2 = (pb/24EI){6(b+2c)(l-x)^2 - 4(l-x)^3 + (1/b)(a+b-x)^4}       [a<=x<=a+b]
#   w3 = (pb/12EI){3(b+2c)(l-x)^2 - 2(l-x)^3}                        [a+b<=x<=l]
#   w_max = (pb/24EI){4(b^2+3bc+3c^2)l - (b^3+4b^2c+6bc^2+4c^3)}     [x=0, 自由端]
#
#   s : FEM座標(固定端起点、s=0で固定端、s=lで自由端)
#   x : 厳密解の座標(自由端起点、x = l - s)
#
# 分布荷重は「区間[a,a+b]だけでp、それ以外はゼロ」という関数として定義し、
# これまでと同じガウス求積による等価節点荷重の計算をそのまま使う。

library(ggplot2)

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# 1. 梁の諸元と荷重の設定
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l <- 2.0
a <- 0.4
b <- 0.8
c <- l - a - b # 区間③の長さ(自動計算)
p <- 600 # 荷重区間での分布荷重の強さ [N/m]
E <- 210e9
I <- 4.1667e-6
EI <- E * I

# 荷重区間のFEM座標(固定端起点)での範囲
s_load_lo <- l - (a + b) # = c
s_load_hi <- l - a # = b + c

# 分布荷重をFEM座標sの関数として定義。区間[s_load_lo, s_load_hi]でのみp、他は0。
q_dist <- function(s) ifelse(s >= s_load_lo & s <= s_load_hi, p, 0)

# ------------------------------------------------------------
# 2. 形状関数と要素剛性行列
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shape_N <- function(xi, Le) {
  N1 <- 1 - 3 * xi^2 + 2 * xi^3
  N2 <- Le * (xi - 2 * xi^2 + xi^3)
  N3 <- 3 * xi^2 - 2 * xi^3
  N4 <- Le * (-xi^2 + xi^3)
  c(N1, N2, N3, N4)
}

beam_element_k <- function(Le) {
  (EI / Le^3) * matrix(c(
    12, 6 * Le, -12, 6 * Le,
    6 * Le, 4 * Le^2, -6 * Le, 2 * Le^2,
    -12, -6 * Le, 12, -6 * Le,
    6 * Le, 2 * Le^2, -6 * Le, 4 * Le^2
  ), nrow = 4, byrow = TRUE)
}

# ------------------------------------------------------------
# 3. 等価節点荷重をガウス求積で数値的に計算する(5点ガウス求積)
# ------------------------------------------------------------
gauss_pts <- c(
  0,
  -1 / 3 * sqrt(5 - 2 * sqrt(10 / 7)),
  1 / 3 * sqrt(5 - 2 * sqrt(10 / 7)),
  -1 / 3 * sqrt(5 + 2 * sqrt(10 / 7)),
  1 / 3 * sqrt(5 + 2 * sqrt(10 / 7))
)
gauss_wts <- c(
  128 / 225,
  (322 + 13 * sqrt(70)) / 900,
  (322 + 13 * sqrt(70)) / 900,
  (322 - 13 * sqrt(70)) / 900,
  (322 - 13 * sqrt(70)) / 900
)

beam_element_f <- function(s0, Le) {
  f_e <- numeric(4)
  for (k in seq_along(gauss_pts)) {
    xi <- (gauss_pts[k] + 1) / 2
    jac <- Le / 2
    s <- s0 + xi * Le
    q <- q_dist(s)
    f_e <- f_e + shape_N(xi, Le) * q * jac * gauss_wts[k]
  }
  f_e
}

# ------------------------------------------------------------
# 4. メッシュ生成(荷重区間の境界にちょうど節点が来るように要素数を選ぶ)
# ------------------------------------------------------------
n_elem <- 10L # Le=0.2、s_load_lo=0.8, s_load_hi=1.6 はともにLeの倍数
Le <- l / n_elem
n_node <- n_elem + 1L
n_dof <- 2L * n_node

K <- matrix(0, n_dof, n_dof)
F <- numeric(n_dof)
K_e <- beam_element_k(Le)

for (e in seq_len(n_elem)) {
  s0 <- (e - 1) * Le
  f_e <- beam_element_f(s0, Le)
  dofs <- c(2 * e - 1, 2 * e, 2 * e + 1, 2 * e + 2)
  K[dofs, dofs] <- K[dofs, dofs] + K_e
  F[dofs] <- F[dofs] + f_e
}

# ------------------------------------------------------------
# 5. 境界条件(固定端: w=0, θ=0)
# ------------------------------------------------------------
fixed_dofs <- c(1, 2)
free_dofs <- setdiff(seq_len(n_dof), fixed_dofs)

u <- numeric(n_dof)
u[free_dofs] <- solve(K[free_dofs, free_dofs], F[free_dofs])

w_fem <- u[seq(1, n_dof, by = 2)]
th_fem <- u[seq(2, n_dof, by = 2)]

s_nodes <- seq(0, l, length.out = n_node)
x_nodes <- l - s_nodes

# ------------------------------------------------------------
# 6. 厳密解との比較(区間ごとに式を使い分ける)
# ------------------------------------------------------------
w_exact_fn <- function(x) {
  lx <- l - x
  ifelse(
    x <= a,
    (p * b) / (24 * EI) * (4 * (b^2 + 3 * b * c + 3 * c^2) * lx - (b^3 + 4 * b^2 * c + 6 * b * c^2 + 4 * c^3)),
    ifelse(
      x <= a + b,
      (p * b) / (24 * EI) * (6 * (b + 2 * c) * lx^2 - 4 * lx^3 + (1 / b) * (a + b - x)^4),
      (p * b) / (12 * EI) * (3 * (b + 2 * c) * lx^2 - 2 * lx^3)
    )
  )
}

comparison <- data.frame(
  自由端起点_x_m = round(x_nodes, 3),
  FEM近似解_mm = round(w_fem * 1000, 8),
  厳密解_mm = round(w_exact_fn(x_nodes) * 1000, 8),
_mm = w_fem * 1000 - w_exact_fn(x_nodes) * 1000
)
print(comparison)

cat("\n自由端でのたわみ量:\n")
cat("  FEM近似解:", w_fem[n_node] * 1000, "mm\n")
cat("  厳密解    :", w_exact_fn(0) * 1000, "mm\n")

# ------------------------------------------------------------
# 7. 可視化
# ------------------------------------------------------------
hermite_w <- function(xi, Le, w1, th1, w2, th2) {
  N1 <- 1 - 3 * xi^2 + 2 * xi^3
  N2 <- Le * (xi - 2 * xi^2 + xi^3)
  N3 <- 3 * xi^2 - 2 * xi^3
  N4 <- Le * (-xi^2 + xi^3)
  N1 * w1 + N2 * th1 + N3 * w2 + N4 * th2
}

fem_curve <- do.call(rbind, lapply(seq_len(n_elem), function(e) {
  xi_seq <- seq(0, 1, length.out = 20)
  w1v <- w_fem[e]
  th1v <- th_fem[e]
  w2v <- w_fem[e + 1]
  th2v <- th_fem[e + 1]
  s_local <- s_nodes[e] + xi_seq * Le
  data.frame(x = l - s_local, w_mm = hermite_w(xi_seq, Le, w1v, th1v, w2v, th2v) * 1000)
}))

x_fine <- seq(0, l, length.out = 300)
exact_curve <- data.frame(x = x_fine, w_mm = w_exact_fn(x_fine) * 1000)

p1 <- ggplot() +
  geom_line(data = exact_curve, aes(x = x, y = w_mm, color = "厳密解"), linewidth = 1.2) +
  geom_line(
    data = fem_curve, aes(x = x, y = w_mm, color = "FEM(要素内補間)"),
    linetype = "dashed", linewidth = 0.8
  ) +
  geom_point(
    data = data.frame(x = x_nodes, w_mm = w_fem * 1000),
    aes(x = x, y = w_mm, color = "FEM(節点)"), size = 2
  ) +
  geom_vline(xintercept = c(a, a + b), linetype = "dotted", color = "gray50") +
  scale_color_manual(values = c(
    "厳密解" = "gray40", "FEM(要素内補間)" = "steelblue",
    "FEM(節点)" = "firebrick"
  ), name = "") +
  labs(
    title = "中間区間の等分布荷重を受ける片持ち梁:FEM vs 厳密解",
    subtitle = paste0("要素数 = ", n_elem, "(荷重区間の境界にちょうど節点があり完全一致)"),
    x = "自由端からの距離 x [m]", y = "たわみ量 w [mm]"
  ) +
  theme_minimal(base_size = 12)

print(p1)
   自由端起点_x_m FEM近似解_mm  厳密解_mm         差_mm
1             2.0   0.00000000 0.00000000  0.000000e+00
2             1.8   0.01243419 0.01243419 -3.507611e-15
3             1.6   0.04681105 0.04681105 -1.269124e-14
4             1.4   0.09874207 0.09874207 -2.615963e-14
5             1.2   0.16383869 0.16383869 -4.268808e-14
6             1.0   0.23775810 0.23775810 -6.075696e-14
7             0.8   0.31670604 0.31670604 -7.949197e-14
8             0.6   0.39793967 0.39793967 -9.781065e-14
9             0.4   0.47981330 0.47981330 -1.157408e-13
10            0.2   0.56173265 0.56173265 -1.343370e-13
11            0.0   0.64365199 0.64365199 -1.530998e-13

自由端でのたわみ量:
  FEM近似解: 0.643652 mm
  厳密解    : 0.643652 mm
Figure 2
  • 固定端(x=2.0)では誤差ゼロ、自由端(x=0.0)に近づくほど誤差が大きくなっているのは、各要素で生じたわずかな積分誤差が、固定端から自由端に向かって足し合わさっていく(累積していく)ためです。

厳密解の公式

  • 出典 : 「構造力学公式集 昭和61年版」(土木学会)

反力・せん断力

\[\begin{eqnarray}R_B &=& pb\\M_B &=& -\frac{pb}{2}(2c+b)\\Q_1 &=& 0\\Q_2 &=& -p(x-a)\\Q_3 &=& -pb\end{eqnarray}\]

曲げモーメント

\[\begin{eqnarray}
M_1 &=& 0\\
M_2 &=& -\frac{p}{2}(x-a)^2\\
M_3 &=& -\frac{pb}{2}(2x-2a-b)
\end{eqnarray}\]

たわみ

\[\begin{eqnarray}
w_1 &=& \frac{pb}{24EI}\Big\{4(b^2+3bc+3c^2)(l-x)\\
&& -(b^3+4b^2c+6bc^2+4c^3)\Big\}\\
w_2 &=& \frac{pb}{24EI}\left\{6(b+2c)(l-x)^2-4(l-x)^3+\frac{1}{b}(a+b-x)^4\right\}\\
w_3 &=& \frac{pb}{12EI}\left\{3(b+2c)(l-x)^2-2(l-x)^3\right\}\\
w_{\max} &=& \frac{pb}{24EI}\Big\{4(b^2+3bc+3c^2)l-(b^3+4b^2c+6bc^2+4c^3)\Big\}, \quad [x=0]
\end{eqnarray}\]

たわみ角

\[\begin{eqnarray}
\theta_1 &=& \frac{pb}{6EI}(b^2+3bc+3c^2)\\
\theta_2 &=& \frac{pb}{6EI}\left\{3(b+2c)(l-x)-3(l-x)^2+\frac{1}{b}(a+b-x)^3\right\}\\
\theta_3 &=& \frac{pb}{2EI}\left\{(b+2c)(l-x)-(l-x)^2\right\}\\
\theta_A &=& \frac{pb}{6EI}(b^2+3bc+3c^2)
\end{eqnarray}\]

以上です。